Материал: КМ

Схема разрушения оболочки твэла из циркониевого сплава в результате взаимодействия с топливными таблетками:

1 − образование зародыша трещины на свежей поверхности; 2 − раскрытие зародыша трещины в результате коррозионного растрескивания; 3 − распространение трещины; 4 − конечное пластическое разрушение; 5 − выделение охрупчивающих продуктов деления

Пути уменьшения ВТО:

Ввод в UO₂ пластифицирующих добавок, например 0,25 мас.% Nb₂O₅, что повышает скорость ползучести топлива и места контакта краев трещины с оболочкой притупляются, это снижает уровень локальных напряжений в оболочке и уменьшает коррозию.

Нанесение защитных покрытий на внутреннюю поверхность оболочки (чистый Zr, медь, графит).

Действие облучения на сплавы циркония

1. Радиационный рост циркония, т.к. у α-циркония ГПУ- решетка. Рост контролируется за счет управления текстурой при термомеханической обработке, поэтому такой контролируемый рост приводит к удлинению твэлов.

2. Радиационная ползучесть. Она проявляется в овализации оболочек твэла. Для борьбы с овализацией повышаются требования цилиндричности оболочек.

3. Повышение прочностных свойств и снижение пластичности из-за возникновения дефектов.

4. Усиливается коррозия оболочек твэлов вследствие гидролиза воды.

В качестве каналов тяжеловодных реакторов также используются сплавы циркония (российские).

Стали

Коррозионно-стойкие стали

Используются в быстрых реакторах, т.к. прочнее, чем цирконий. Давление внутри больше, чем снаружи, т.к. давление теплоносителя примерно 1атм.

Сталь – это сплав Fe с легирующими элементами. По типу легирующих элементов различают стали: углеродистые и легированные.

Углеродистые стали самые дешевые, используются в строительстве, во многих конструкциях, не работают в агрессивных средах.

Легированные стали помимо углерода содержат и другие легирующие добавки.

Fe – Т_пл=1539 °С. До Т_пл железо испытывает полиморфные превращения

910 °C 1392 °C 1539 ± 3 °С

α-Fe → γ-Fe → δ-Fe → жидкая фаза

(ОЦК) (ГЦК) (ОЦК)

Обозначение ЛЭ в сталях:

Cr-Х, Ni-Н, Mn-Г, Mo-М,V-Ф, Al-Ю, B-Р, Co-К, Ti-Т, Nb-Б

Цифра перед маркой означает среднее содержание углерода в сотых долях процента; цифры, идущие после букв, − примерное количество данного элемента, округленное до целого числа. При содержании менее 1,5 % элемента цифру не приводят. Так, 45ХН2МФ − конструкционная сталь с содержанием примерно 0,45 % С, около 1 % Сr, примерно 2 % Ni, до 1 % Мо и до 1 % V.

Сталь 40ХГТ (примерно 0.4% C, Cr, Mn, Te<1%) если после букв нет цифр, то их содержание <1%. А − азот (N)

Если А стоит в начале марки, то она означает, что сталь автоматная, например А40Г; в конце марки − высококачественная сталь, например 30ХГСА, или особовысококачественная

сталь, например 15Х2МФАА

Введение легирующих добавок меняет структурное состояние сталей.

Основными структурными состояниями сталей являются:

Феррит – твердый раствор легирующих элементов в сплаве α-Fe.

Аустенит – твердый раствор легирующих элементов в γ-Fe.

Цементит – Fe₃C .

Мартенсит – пересыщенный твердый раствор легирующих элементов в α-Fe.

Перлит – механическая смесь кристаллов феррита и цементита (корпуса реактора ВВЭР).

Основные легирующие добавки, которые используются в реакторостроении – Cr и Ni.

Fe % Cr Fe % Ni

γ-Fe прочнее, чем α-Fe, т.к. ГЦК прочнее ОЦК.

Высокая коррозионная стойкость стали имеет место, если содержание Cr ≥ 12,5%.

Таким образом коррозионно-стойкая сталь это сталь с содержанием >13% Сr.

12Х13 –коррозионно-стойкая сталь ферритного класса.

Если в Fe вводить только Ni, то коррозионная стойкость будет низкой и надо вводить Cr.

Если достаточно Ni, то получится аустенитная сталь, например Х18Н10Т – коррозионно-стойкая сталь, в которой Ni вводится чтобы сталь имела кристаллическую решетку типа ГЦК.

Классы сталей:

• Ферритный класс

• Аустенитный класс

• Перлитный класс

• Мартенситный класса (мартенсит повышает прочность)

• Феррито-мартенситный

• Аустенито-ферритный

Коррозия в воде

1. Равномерная коррозия при Т=600 °С – 3-5 мкм в год.

2. Локальная коррозия обусловлена наличием неоднородностей: химических неоднородностей, трещин, шлаковых включений.

3. Язвенная (точечная) коррозия, обусловлена наличием в теплоносителе ионов Cl, турбулизации (завихрений) потока теплоносителя. Концентрация Cl ≤ 0.1 мг/кг_Н2О.

4. Интеркристаллитная коррозия аустенитных сталей (по границам зерен)

Схема МКК

При Т примерно 600 °C углерод взаимодействует с Cr на границах зерен и образуется Cr₂₃C₆=>обеднение границ хромом, что вызывает интеркристаллитную коррозию (т.е. образование оксидов на границах).

Борьба с интеркристаллитной коррозией:

1. Убирают C (0Х18Н10) С<0,01%

2. Вводится Тi или Nb, чтобы оставшийся углерод образовал с этими элементами карбиды.

3. Аустенитизация стали путем нагрева до Т=1000-1100 °C и выдержки при этой температуре в течение нескольких часов.

Коррозионное растрескивание коррозионно-стойкой стали в водяном теплоносителе.

Наличие Cl и других элементов в водяном теплоносителе, в присутствии напряжения в оболочке вызывает растрескивание оболочек твэла.

• Трещины распространяются в направлении, перпендикулярном к направлению растягивающей нагрузки.

• Скорость распространения трещины огромная - до нескольких мм/ч.

• На поверхности стали, в том числе и у самой трещины, часто нет видимых продуктов коррозии и других признаков общего коррозионного разрушения.

Борьба: снижение концентрации Cr при постоянном содержании Ni; уменьшение содержания элементов, способствующих образованию аустенита (С, N) до 0,002 %; Легирование Nb, Ti или Мо; очистка воды от хлора и свободного кислорода и уменьшение напряжения в оболочке.

Коррозия коррозионно-стойких сталей в жидком металлическом теплоносителе

1. Коррозионно-стойкая сталь имеет удовлетворительное сопротивление коррозии в Na до Т=500 °C

2. Наличие градиентов температуры в активной зоне быстрого реактора приводит к тому, что в горячих участках АЗ компоненты сталей, в частности Cr, растворяются в Na, и выделяются из него в более холодных зонах активной зоны или участках первого контура охлаждения – это явление «перенос компонентов в жидком Na»

3. Наличие в Na кислорода приводит к резкому ускорению процесса коррозии, максимальное содержание O < 0,005%. Для уменьшения количества O используют ловушки: горячие и холодные. Горячие – нагретые стержни Zr, которые поглощают O. Холодные – вымораживание оксида натрия.

Влияние облучения на коррозионно-стойкую сталь.

1. Вакансионное распухание стали наблюдается при Т=0,3-0,6 Т_пл.

Вакансионное распухание проявляется в образовании пор, что ведет к увеличению V до 10% для аустенитной, а для ферритной – до 1%

Инкубационный период 4·10²⁶ нейтронов/м² – выше этого порога происходит распухание, что уменьшает зазор для прохода теплоносителя, и приводит к перегреву твэлов.

Борьба с вакансионным распуханием:

1 – холодная деформация стальных оболочек до 30%.

2 – создание в сталях мелкодисперсных выделений карбидов, которые являются местами рекомбинации вакансий смещенных атомов.

Радиационная ползучесть коррозионно-стойких сталей.

При Т=300-500 °C скорость радиационной ползучести зависит от уровня напряжений и повреждающей дозы. Действие ползучести проявляется в выпучивании крайних чехлов ТВС.

Радиационное охрупчивание коррозионностойких сталей.

Существует 3 вида:

1. Низкотемпературное радиационное охрупчивание (НТРО) Т<0,3Т_плав. При этом увеличиваются прочностные характеристики, уменьшается пластичность.

2. Среднетемпературное радиационное охрупчивание (СТРО) 0,3Т_плав <Т <0,55Т_плав. Т.е. при температурах, при которых существует вакансионное распухание. Уменьшается и прочность, и пластичность.

3. Высокотемпературное радиационное охрупчивание ВТРО.

Т ≥ 0,55Т_плав.(600 °С). Резко понижается пластичность. Причина ВТРО в том, что при облучении стали нейтронами, на компонентах стали нарабатывается He за счет (n,γ) реакции. При этой температуре He выделяется в виде пузырьков по границам зерен металла, что приводит к значительному уменьшению пластичности.

Борьба с ВТРО.

1. Измельчение зерен, гелий распространяется по большей поверхности и его меньше выделяется в пузырьках.

2. Легирование Мо и B для укрепления границ зерен.

3. Введение в сталь Nb и Тi, которые образуют мелкодисперсные карбиды, и на которых происходит улавливание отдельных атомов He.

Широко применяется сталь 0Х16Н15М3Б

Nb связывает остатки углерода

Mо упрочняет зерно

Сr обеспечивает высокую коррозионную стойкость

Ni обеспечивает высокую жаропрочность.

Новые виды стали феррито-мартенситного класса:

ЭП-45: 12Х13М3БФР; ЭП450: 1Х13М2БФР;

ЭК18: 16Х13В8ТаФР; ЭК181: 16Х12В2ФТаР

где Та – тантал, а В – вольфрам – уменьшает ВТРО

В меньшей степени подвержены вакансионному распуханию новые стали.